运动防治肥胖的分子机制

彭 茜，安振梅

(四川大学华西临床医学院华西医院内分泌与代谢病学科，四川成都610041)

大量的流行病学研究表明，少动的生活方式可诱导肥胖等多种代谢性疾病的发生。运动则被推荐为防治肥胖等代谢性疾病的基础治疗之一。骨骼肌约占人体体质量的40%，与运动密切相关。近年来，骨骼肌被证实同样也是一种内分泌器官，分泌着肌肉生长抑制素、IL-6、IL-15和 irisin等因子［1-2］。运动首先诱导骨骼肌表达PGC-1α，后者可促进FNDC5的表达，随后FNDC5在体内被剪切转变为一种新的形式irisin。irisin从骨骼肌合成分泌后，通过血液循环作用于白色脂肪细胞，使其转变为具有分解代谢脂肪特征的棕色脂肪细胞，脂肪分解代谢产生的能量以热的形式散发，从而发挥减肥作用［2］。

1 PGC-1α的结构及生物学功能

研究发现 PPARγ共激活因子1α(peroxisome proliferative activated receptor-coactivator-1，PGC-1 α)是体内能量代谢调控的关键性蛋白质，参与调控适应性产热、线粒体生成、抗氧化、血管生成、能量代谢、胰岛素敏感性、骨骼肌转变和irisin分泌等生物学过程［2］。

PGC-1α基因位于小鼠5号染色体，编码的蛋白质含有797个氨基酸残基。人PGC-1α基因定位于4号染色体，编码的蛋白质含有798个氨基酸残基。两者蛋白质序列的同源性为95%。PGC-1α蛋白质N端(1～230位氨基酸)含有转录激活结构域，该结构域具有保守性氨基酸序列，即 LXXLL或者LLXXL基序(L为亮氨酸，X为其他氨基酸)，通过该位点PGC-1α与转录因子(transcription factor，TF)和核受体(nuclear receptor，NR)结合并辅助激活下游基因的转录。PGC-1α的N端(1～230位氨基酸)之后横跨大约200个氨基酸的部位是PGC-1α的活性调控区域，通过对该区域的共价修饰对PGC-1α的活性发挥调控作用。PGC-1α的C端具有丝氨酸/精氨酸较丰富的区域(arginine-serine-rich domain，RS)和RNA识别结构域(RNA recognition motif，RRM)，现已被证实该部位可以调控RNA转录及加工［3］。因此，PGC-1α可以作为一个平台，通过与核受体结合再募集其他辅激活因子，进而调控下游靶基因的转录，最终实现不同的生理功能。

骨骼肌肌型可以分为:Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx型。前两类肌型富含线粒体和葡萄糖转运体4(glucose transporter type 4，GLUT4)，通过脂肪酸β氧化提供能量，负责肌肉的长期耐力运动。而后两类肌型所含线粒体和GLUT4较少，通过糖酵解提供快速少量的能量，负责肌肉的急剧运动。PGC-1α最初被发现存在于Ⅰ和Ⅱa型肌纤维中，运动可以促进Ⅱb型肌纤维中PGC-1α的表达，并促进该肌纤维向Ⅰ和Ⅱa型肌纤维的转变［4］。

运动锻炼可增加PGC-1α的基因表达，与对照组比较，提高运动强度可升高2．5倍［5］。运行诱导PGC-1α表达水平提高和活性的增强是通过多条信号途径实现的。其中以Ca2+依赖的信号途径通路为主，运动促进肌浆网中钙的释放，通过钙调磷酸酶(calcineurin A，CnA)和钙调素依赖性蛋白激酶IV(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IV，CaMKIV)，上调 PGC-1α 的表达［6］。实验已证实Ca2+通路和P38 MAPK通路是运动引起PGC-1α表达所必须的，且CnA通路控制肌型转变，P38 MAPK通路则控制着耐力运动后的线粒体生成和血管生成［7］。

2 FNDC5/irisin的结构及生物学功能

FNDC5又称Ⅲ型纤连蛋白重复包含蛋白2(fibronectin typeⅢ repeat containing protein 2，Frcp2)或过氧化物酶体蛋白(peroxisomal protein，PeP)。小鼠的FNDC5基因位于第4号染色体上，基因长度约为5．1 kb，其中含有6个外显子。FNDC5的转录起始调控区位于第一个外显子;第1和第2外显子共同表达信号肽;第2和第3外显子共同表达Ⅲ型纤连蛋白组件;第4和第5外显子则表达跨膜结构域。小鼠的FNDC5蛋白由209个氨基酸组成，分子质量约为23 ku，其中1～30氨基酸是信号肽;31～114氨基酸为Ⅲ型纤连蛋白组件;151～172号氨基酸为疏水的跨膜结构域。FNDC5在切除N端信号肽后，在GLU142处被蛋白水解酶裂解，形成一段约为110个氨基酸的多肽片段，即irisin。irisin的命名源于希腊神话中彩虹女神Iris的名字，暗喻其像Iris一样，作为骨骼肌的使者，传递骨骼肌的信号并沟通骨骼肌与外周组织的关系，其序列在种属间高度保守，人和小鼠的irisin氨基酸序列的同源性为100%［2］。

通过基因芯片技术研究发现运动小鼠骨骼肌中有5种 PGC-1α依赖的分泌蛋白被上调，FNDC5就是其中之一［2］。当骨骼肌特异性敲除基因的PGC-1α小鼠体内，FNDC5基因的表达会减少。提示PGC-1α可上调FNDC5基因的表达。

研究显示，长期运动对骨骼肌中FNDC5的表达有显著的促进作用。在小鼠，一次急性运动后5 h，骨骼肌FNDC5的mRNA表达并没有改变;但3周的自由跑轮运动训练后12 h，小鼠骨骼肌中FNDC5的mRNA表达显著上调，血浆中irisin的水平也显著升高。同样，在以60岁以上的肥胖人群为研究对象的实验中也可发现上述现象［8］。

传统的观点认为，成人不具有棕色脂肪组织。但随着核医学技术的发展，正电子发射型计算机断层显像(PET)的应用显示成人拥有棕色脂肪组织(尤其在寒冷低温条件下)，其主要分布于颈下、锁骨上和脊柱旁等区域［9］。且棕色脂肪组织的产热能力和机体的白色脂肪组织水平呈反比，即棕色脂肪组织的产热能力越强，机体的白色脂肪组织水平越低，越容易抵抗肥胖［10］。

最近，一种新的脂肪组织-褐色脂肪组织被分离提出，它富含线粒体，通过解耦联蛋白(uncoupling protein1，UCP1，它是棕色脂肪和白色脂肪的一个重要区别［11］)解偶联呼吸，前列腺素(PG)PGE2/PGI2促其生成，可消耗能量、维持体温［12］。

irisin最大的生物学功能就是促进UCP1的表达，诱导脂肪小滴形成，增加线粒体密度，增加脂肪细胞氧耗，导致脂肪细胞向褐色脂肪细胞表型转变，又叫做白色脂肪“褐色化”:在皮下脂肪细胞中，FNDC5可以在纳摩尔浓度水平下，将UCP1 mRNA的表达水平增加7倍，免疫组化结果提示UCP1阳性脂肪细胞显著增多，并伴有大量的脂肪小滴分布，电子显微镜结果表明FNDC5处理的细胞线粒体密度显著增加，线粒体基因表达增强，呈现褐色脂肪细胞表型［13］;体外研究显示［2］:给野生型 BALB/c小鼠静脉注射整合了FNDC5基因的腺病毒载体(含1 010个病毒颗粒)，结果显示:小鼠血浆中irisin的水平较注射前升高了3倍，在不影响其活动和进食的情况下，能量消耗了增加了100%，且小鼠未出现任何不良反应;注射腺病毒载体10 d后，其皮下脂肪中UCP1 mRNA的表达增加了13倍，PGC-1α mRNA的表达也有少量增加，提示血浆中irisin水平适当提高后可诱导体内白色脂肪具有棕色脂肪细胞特征。在游泳运动7 d的大鼠，腹膜给予50μg的FNDC5抗体后，运动上调的皮下脂肪组织UCP1则被抑制。

循环中irisin浓度与肌肉质量密切相关［14］，研究缺乏肌肉生长抑制素的小鼠显示伴随着肌肉质量增加的同时，肌肉中PGC-1α和FNDC5的表达、血中irisin浓度、白色脂肪棕色化也同样增加［15］。上述研究表明通过运动增加肌肉质量将从分子水平改善人体的健康。

3 结语

现代人的生活方式缺乏运动，因此，对于那些不愿运动或不能参加运动的人群来说，阐明运动作用人体的机制、开发模拟运动效果的药物显得更为重要。正如前段所述，运动通过PGC-1α-FNDC5/irisin-UCP1通路调节着机体的代谢。作用于以上通路中任一环节的药物都将改变机体的代谢方向。目前许多药物正处于基础实验阶段，如肝X受体激动剂 T0901317，研究发现每周 1次腹腔注射T0901317治疗高脂饮食诱导的肥胖小鼠后，阻断了肥胖的进展及与肥胖相关的胰岛素抵抗及糖耐量调节受损，实时荧光定量PCR分析这些肝X受体激动剂治疗的小鼠发现，UCP1和PGC-1α等与能量代谢有关基因的mRNA水平显著升高［16］。或许像胰岛素的发现及可人工生产一样，外源性的irisin将会给肥胖等代谢性疾病的治疗带来新的希望。

［1］Pedersen BK，Febbraio MA．Muscles，exercise and obesity:Skeletalmuscle as a secretory organ［J］．Nat Rev Endocrinol，2012，8:457-465．

［2］Boström P，Wu J，Jeddrychowski MP，et al．A PGC-1αdependentmyokine that drives brown-fat-like development of white fat and thermogenesis［J］．Nature，2012，481:463-468．

［3］Monsalve M，Wu ZD，AdelmantG，etal．Direct coupling of transcription andmRNA processing through the thermogenic coactivator PGC-1［J］．Mol Cell，2000，6:307-316．

［4］Vitor AL，Benton CR，Yan Z，et al．PGC-1α regulation by exercise training and its influences on muscle function and insulin sensitivity［J］．Am JPhysiol Endocr Metab，2010，299:145-161．

［5］ Seale P，Bjork B，Yang W，et al．PRDMl6 controls a brown fat/skeletal muscle switch［J］．Nature，2008，454:961-967．

［6］Fernandez-Marcos PJ，Auwerx J．Regulation of PGC-1α，a nodal regulator ofmitochondrial biogenesis［J］．Am JClin Nutr，2011，93:884S-890S．

［7］Egan B，Carson BP，Garcia-Roves，etal．Exercise intensity-dependent regulation of peroxisome proliferator-activated receptor coactivator-1 mRNA abundance is associated with differential activation of upstream signaling kinases in human skeletal muscle［J］． J Physiol， 2010， 588:1779-1790．

［8］Timmons JA，Baar K，Davidsen PK，et al．Is irisin a human exercise gene?［J］．Nature，2012，488:9-11．

［9］Virtanen KA，Lidell ME，Orava J，et al．Functional brown adipose tissue in healthy adults［J］．N Engl JMed，2009，360:1518-1525．

［10］Van Marken LichtenbelWD，Vanhommerig JW，Smulders NM，et al．Cold-activated brown adipose tissue in healthy men［J］．N Engl JMed，2009，360:1500-1508．

［11］Cannon B，Nedergaard J．Nonshivering thermogenesis and its adequatemeasurement in metabolic studies［J］．JExp Biol，2011，214:242-253．

［12］Wu J，Boström P，Sparks LM，et al．Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell inmouse and human［J］．Cell，2012，150:366-376．

［13］ Castillo-quan JI．From white to bromn fat through the PGC1-alpha dependentmyokine irisin:implications for diabetes and obesity［J］． Dis Model Mech，2012，5:293-295．

［14］Stengel A，Hofmann T，Goebel-Stengel M，et al．Circulating levels of irisin in patients with anorexia nervos and different stages of obesity-correlation with bodymass index［J］．Peptides，2013，39:125-130．

［15］Shan T，Liang X，Bi P，et al．Myostatin knockout drives browning of white adipose tissue through activating the AMPK-PGC1α-Fndc5 pathway inmuscle［J］．The FASEB J，2013，27:1981-1989．

［16］Gao MM，Liu DX．The Liver X receptor agonist T0901317 protectsmice from high fat diet-induced obesity and insulin resistance［J］．AAPS J，2013，15:258-266．